專利名稱：一種激光器熱焦距的測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種利用像散腔測量激光器熱焦距的方法。
背景技術(shù)：
以激光器為核心的激光技術(shù)，對先進制造業(yè)、科學(xué)技術(shù)、醫(yī)療技術(shù)和國防科技的進步與發(fā)展起到越來越重要的作用。隨著工業(yè)和科技的發(fā)展，各種研究領(lǐng)域?qū)ψ鳛槌檫\源的單頻綠光激光器的功率和光束質(zhì)量提出愈來愈高的要求，需求牽引了全固態(tài)高功率單頻激光器的研究。另一方面，高功率半導(dǎo)體激光器、各種光學(xué)材料、控制技術(shù)的發(fā)展也為全固態(tài)高功率單頻激光器研究工作的開展提供了可能。但是，與中小功率激光器相比，激光器的輸出功率并不會隨著泵浦功率的增大而簡單地增大。在高功率泵浦下，會引發(fā)許多新的問題需要我們?nèi)ヌ剿?。由于熒光過程的量子效率小于1，部分光子能量散失到基質(zhì)晶格中轉(zhuǎn)換為熱；泵浦帶和熒光能級間的能量差通過無輻射躍遷散失到基質(zhì)晶格中轉(zhuǎn)換為熱，在激光晶體內(nèi)引起強烈的熱透鏡效應(yīng)。對于設(shè)計優(yōu)化大功率固體激光器，激光晶體的熱焦距是一個重要參數(shù)[Opticscommunications，Vol-156，P-49 (1998)]，它嚴(yán)重影響激光器的光束質(zhì)量及輸出功率的進一步提高。因此，在設(shè)計具有最優(yōu)效率、高穩(wěn)定性和優(yōu)良光束質(zhì)量的高功率固體激光器時，通過一定的技術(shù)手段對激光晶體的熱焦距進行測量，尤其是精確地測量，是高功率激光器設(shè)計中非常重要的一步。對于激光器熱焦距的測量，研究工作者進行了大量的研究工作，提出多種測量激光晶體熱焦距的方法。如探針光束直接測量法[APPLIED OPTICS, Vol-9,P-2548 (1970)], 一束探針光經(jīng)過準(zhǔn)直后入射到激光晶體內(nèi)，在泵浦光作用下，激光晶體即相當(dāng)于一個薄透鏡，這樣對準(zhǔn)直的探針光產(chǎn)生聚焦的效果，我們通過對探測光經(jīng)熱透鏡聚焦后焦點的測量即可直接測量出熱透鏡焦距的大小。在具體的操作過程中，焦點位置可以通過直接觀察法或光電探測器、光束質(zhì)量分析儀輔助觀察等方法進行判斷。該方法操作起來簡單易行，但存在諸多的缺點，一是光路的準(zhǔn)直對測量影響較大，因為在二極管泵浦的固體激光器中，泵浦區(qū)域與非泵浦區(qū)域溫度分布有較大的差別，如果準(zhǔn)直不佳會導(dǎo)致測量誤差加大；二是探針光與激光腔內(nèi)振蕩光的波長有一定差別，從而使得經(jīng)晶體出射后的光束相位變化不同，從而產(chǎn)生誤差；三是該測量方法通過肉眼分辨探測光的焦點位置，本身就存在誤差，況且當(dāng)泵浦光較弱或較強時，熱焦距相應(yīng)就會較長或較短，這樣通過肉眼測量本身就很難分辨出焦點的位置，而通過探測器或者光束質(zhì)量分析儀進行測量同樣存在誤差。最后，該測量方法是在沒有激光產(chǎn)生的條件下測量晶體的熱焦距，從而使得測量的值比激光穩(wěn)定工作時的熱透鏡效應(yīng)要嚴(yán)重，也就不能精確地表示激光穩(wěn)定工作點的熱焦距的實際大小。另外一種常用的測量方法是界穩(wěn)腔測量法[Chinese Physics Letter, Vol-16, P-181(1999)]。該方法采用兩面平面鏡構(gòu)成的諧振腔來測量熱焦距的大小，具體實施辦法是調(diào)整兩面或者其中一面腔鏡，當(dāng)諧振腔處于臨界狀態(tài)時，恰好無激光振蕩，此時該諧振腔對應(yīng)的腔長即為此時激光晶體處的熱焦距的大小。該方法仍然存在較大的誤差。首先，同探針測量法一樣，其光路的準(zhǔn)直比較困難；其次，該測量方法仍然是在沒有激光振蕩的情況下對熱焦距的測量，這樣本身就不能代表激光實際工作點的熱焦距大小，尤其當(dāng)泵浦功率較高時，無法真實地代表工作物質(zhì)實際工作點的熱焦距大??；第三，界穩(wěn)腔的不對準(zhǔn)程度嚴(yán)重影響測量熱焦距值的大小。綜上所述，由于以上兩種測量方法均是在無激光振蕩的情況下對熱焦距的測量， 測量結(jié)果均無法精確地代表激光穩(wěn)定運轉(zhuǎn)時增益介質(zhì)中實際熱焦距的大小，因而均存在較大的測量誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種快速、精確測量激光器熱焦距的方法。本發(fā)明利用了在像散腔中插入確定焦距的輔助透鏡15時，像散腔某一分臂上子午面和弧矢面內(nèi)的穩(wěn)區(qū)范圍存在交點(滿足穩(wěn)定性條件)。僅僅在交點處，子午面和弧矢面內(nèi)的束腰相等。對于確定的像散腔，對應(yīng)一個確定焦距的輔助透鏡，使它某一分臂上子午面和弧矢面內(nèi)的腰斑大小相等。而將其它焦距的輔助透鏡插入像散腔時，子午面和弧矢面內(nèi)的束腰大小都不相等。這樣，具有以上特性的像散腔，其腔長與輔助透鏡的焦距有一一對應(yīng)關(guān)系。同時，在實際的激光器中，在確定腔長下改變泵浦功率，輸出激光的光斑樣式為圓形時(在光傳播方向上任意兩點均為圓形)，對應(yīng)一個確定的泵浦功率點，這時增益介質(zhì)的熱焦距與對應(yīng)腔長下輔助透鏡的熱焦距相等。變換不同的腔長，可以得到泵浦功率與像散腔腔長的一一對應(yīng)關(guān)系。最后，利用泵浦功率與像散腔參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，及熱焦距與像散腔參數(shù)的關(guān)系，建立起熱焦距與泵浦功率之間的關(guān)系。本發(fā)明提供的一種激光器熱焦距的測量方法，包括以下步驟1)、構(gòu)建一個存在像散的諧振腔，腔內(nèi)設(shè)置輔助透鏡15，使諧振腔子午面和弧矢面的穩(wěn)區(qū)有交叉部分，即該諧振腔為像散穩(wěn)定腔；在腔鏡的選擇上，當(dāng)選用離軸放置的球面鏡作為輸出鏡時，該球面鏡應(yīng)為兩表面曲率半徑相等的凹凸鏡或者凸凹鏡，防止光束透過輸出鏡時，產(chǎn)生附加像散。對于存在像散的激光諧振腔來說，諧振腔穩(wěn)區(qū)是子午面和弧矢面穩(wěn)區(qū)的交集。滿足穩(wěn)定條件的像散腔，子午面和弧矢面的穩(wěn)定區(qū)必然存在交叉部分，該交叉部分是激光諧振腔的穩(wěn)定區(qū)，滿足上述條件的腔稱為像散穩(wěn)定腔。在像散穩(wěn)定腔內(nèi)插入一個透鏡時，在確定的分臂上，子午面與弧矢面內(nèi)腰斑隨輔助透鏡15焦距變化的關(guān)系曲線存在一個交點，在該交點處，子午面和弧矢面內(nèi)的腰斑大小相等。2)、將諧振腔的分臂14選為變量，其它分臂長度不變，用ABCD矩陣方法計算出諧振腔子午面和弧矢面腰斑相等時分臂14長度與輔助透鏡15焦距的對應(yīng)關(guān)系；要使像散穩(wěn)定腔子午面與弧矢面的腰斑大小相等，輔助透鏡15的焦距與分臂14 的長度需滿足特定的一一對應(yīng)關(guān)系。即對于一定的分臂14的長度，輔助透鏡15的焦距也是確定的。根據(jù)上述原理，利用像散穩(wěn)定腔的ABCD矩陣分析方法，可以得到輔助透鏡15焦距與分臂14長度的對應(yīng)關(guān)系。該對應(yīng)關(guān)系的產(chǎn)生可用如下三種方法1.用逐點計算的方法得到分臂14的長度與輔助透鏡15焦距的關(guān)系列表。2.用數(shù)值計算的方法得到分臂14的長度與輔助透鏡15焦距的對應(yīng)關(guān)系曲線。3.用解析法得到分臂14的長度與輔助透鏡15 焦距的函數(shù)關(guān)系式。
3)、在上述諧振腔中，用增益介質(zhì)12代替輔助透鏡15，輸出激光，對于確定參數(shù)的諧振腔，改變泵浦光功率，利用探測裝置8觀察輸出激光的光斑樣式，當(dāng)輸出光方向上任意兩點的光斑樣式均為圓形時，此時增益介質(zhì)12的熱焦距與輔助透鏡15的焦距相等，記錄此時的泵浦功率；所述的探測裝置8是不透光平面、探片或(XD。觀察光斑的形狀可采用三種方法 1.用不透光平面(如普通的紙、板)，用肉眼直接觀察光斑的形狀。2.不可見光波段可以用探片或CCD觀察。3.不可見光波段也可以用非臨界相位匹配的非線性晶體變換為可見光后直接觀察。測量過程中，當(dāng)輸出光方向上只有一點的光斑樣式均為圓形時，不能說明分臂14上子午面和弧矢面的腰斑大小相等。只有當(dāng)輸出光方向上任意兩點的光斑樣式均為圓形時，才能說明在分臂14上子午面和弧矢面的腰斑大小相等。4)改變分臂14長度，重復(fù)步驟3)，建立泵浦功率與分臂14長度的對應(yīng)關(guān)系；5)、依據(jù)輔助透鏡15的焦距與分臂14長度的對應(yīng)關(guān)系和泵浦功率與分臂14長度的對應(yīng)關(guān)系，得到熱焦距與泵浦功率的對應(yīng)關(guān)系，即可測得激光器的熱焦距。輔助透鏡15的焦距與分臂14的長度具有一一對應(yīng)關(guān)系，泵浦功率與分臂14的長度具有一一對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)輸出光方向上任意兩點的光斑樣式均為圓形時，增益介質(zhì)12的熱焦距與輔助透鏡15的熱焦距相等。從而，用分臂14的長度這一橋梁建立起熱透鏡焦距與泵浦功率的對應(yīng)關(guān)系，采用間接的方法得到了不同泵浦功率下的熱焦距值。本發(fā)明所述測量熱焦距的方法與傳統(tǒng)的測量方法相比具有以下優(yōu)點(1)該熱焦距的測量方法裝置簡單，可通過直接觀察的方法實現(xiàn)，方便操作。(2)測量是在激光器正常運轉(zhuǎn)時進行的，與界穩(wěn)腔法和探針法相比，激光增益介質(zhì)中的熱載較小，增益介質(zhì)不易損壞。(3)與探針法、界穩(wěn)腔法相比，該方法測量時，激光器的工作條件與實際激光器穩(wěn)定運轉(zhuǎn)時的工作條件相似，測量結(jié)果更能反映實際工作中增益介質(zhì)的熱焦距值。(4)與探針法相比，不存在因探針光波長不同造成的誤差，因而測量誤差小，所測得的熱焦距更加精確。(5)與界穩(wěn)腔測量法相比，不存在因?qū)Σ粶?zhǔn)造成的誤差，因而測量誤差小，所測得的熱焦距更加精確。


圖1是典型的像散腔示意2是內(nèi)腔倍頻四鏡環(huán)形諧振腔測試示意3是三鏡環(huán)形諧振腔測試示意4是六鏡環(huán)形諧振腔輸出的基頻光一次通過倍頻晶體的測試示意中第一平面鏡-1 ；第二平面鏡-2 ；第三平面鏡-3 ；第四平面鏡-4 ；平凹鏡-5 ； 凸凹鏡-6 ；輸出激光-7 ；探測裝置-8 ；倍頻晶體-9 ；泵浦光整形聚焦系統(tǒng)-10 ；激光泵浦源-11 ；激光增益介質(zhì)-12 ；聚焦透鏡-13 ；分臂-14 ；輔助透鏡-15。圖5是四鏡環(huán)形諧振腔分臂14子午面與弧矢面內(nèi)腰斑隨輔助透鏡15焦距變化趨勢圖。圖中粗線代表分臂14子午面內(nèi)的束腰大小，細線代表分臂14弧矢面內(nèi)的束腰大??；fth代表輔助透鏡15的焦距，《㈣代表分臂14內(nèi)的束腰。
圖6是實施例1中，輸出激光的光斑樣式示意圖。圖中(a)、(b)、(c)分別表示輸出激光光斑的形狀隨著泵浦功率增大的變化情況，當(dāng)光斑變?yōu)?b)圖所示的情形時，圖4中兩曲線交點對應(yīng)的橫坐標(biāo)值即為這一泵浦功率下增益介質(zhì)的熱焦距值。圖7是實施例1中，實際測得的Nd:YAP晶體處熱焦距與泵浦功率的對應(yīng)關(guān)系曲線。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做出進一步說明實施例1.首先，構(gòu)建如圖1所示的四鏡環(huán)形像散諧振腔。腔內(nèi)設(shè)置一個輔助透鏡15，輔助透鏡15的焦距可變，使諧振腔子午面和弧矢面的穩(wěn)區(qū)有交叉部分，即該諧振腔為像散穩(wěn)定腔。用ABCD矩陣分析方法，分別計算得到像散腔子午面和弧矢面的光斑半徑隨輔助透鏡15的焦距的變化曲線(如圖5所示)，從圖5中可以看出該關(guān)系曲線存在一個交點，在交點處子午面與弧矢面內(nèi)的腰斑大小相等，記錄下此時的諧振腔分臂14的長度以及交點處對應(yīng)的輔助透鏡15的焦距。第二步，我們分別計算了表1所列分臂14的長度下，分臂14上子午面和弧矢面內(nèi)束腰相等時輔助透鏡15焦距大小，計算結(jié)果如表1第二、三列所示。第三步，搭建該諧振腔，在腔內(nèi)插入Nd:YAP晶體作為激光增益介質(zhì)12取代輔助透鏡 15。采用如圖2所示的四鏡環(huán)形像散腔測量激光器增益介質(zhì)12的熱焦距，增益介質(zhì)12采用Nd: YAP晶體，它的前后表面均鍍有803nm減反膜，內(nèi)腔倍頻晶體9采用LBO晶體，采用非臨界相位匹配實現(xiàn)倍頻過程，調(diào)節(jié)諧振腔準(zhǔn)直閉合后，獲得MOnm綠光輸出；該四鏡環(huán)形腔包括第一平面鏡1，第二平面鏡2，平凹鏡5，凸凹鏡6 ；其總腔長為632mm，其中第一平面鏡 1和第二平面鏡-之間的距離為206. 2mm，平凹鏡5和凸凹鏡6之間的距離(分臂14)為 93. 6mm,整個諧振腔由激光增益介質(zhì)12和倍頻晶體9中心線等分，且兩端對稱，平凹鏡5和凸凹鏡6的曲率半徑均為100mm，其中輸出鏡為兩表面曲率半徑相同的凸凹鏡6鍍膜為對 IOSOnm高反，540nm高透，另一片平凹鏡5鍍有IOSOnm高反膜，腔內(nèi)振蕩光在各腔鏡處的入射角均為10° ；選擇探測裝置8為黑色紙板，將輸出的綠光打到探測裝置8上，并前后移動探測裝置8，在輸出光方向上相距Im遠的兩個位置分別觀察輸出激光的光斑樣式；隨著泵浦功率的增加，我們觀察到輸出的激光光斑樣式依次呈現(xiàn)出圖6(a)、(b)、(c)所示形狀，光斑樣式為圓形時[如圖6(b)所示]對應(yīng)的泵浦功率為30. 45W ；保持其它分臂長度不變，調(diào)整分臂14的長度，重復(fù)此步操作，我們獲得了分臂14長度與泵浦功率的對應(yīng)關(guān)系，如表1 第一、二列所示。最后，依據(jù)表1我們就可以得到熱焦距與泵浦功率的對應(yīng)關(guān)系，如圖7和表1第一、三列所示。這樣通過以上操作，我們就測得了不同泵浦功率下Nd:YAP晶體處的熱焦距大小。表1.是輸出激光光斑樣式為圓形時泵浦功率與分臂14長度、輔助透鏡15焦距 (熱焦距)的對應(yīng)關(guān)系
權(quán)利要求
1.一種激光器熱焦距的測量方法，其特征在于，包括以下步驟1)、構(gòu)建一個存在像散的諧振腔，腔內(nèi)設(shè)置輔助透鏡(15)，使諧振腔子午面和弧矢面的穩(wěn)區(qū)有交叉部分，即該諧振腔為像散穩(wěn)定腔；2)、將諧振腔的分臂(14)選為變量，其它分臂長度不變，用ABCD矩陣方法計算出諧振腔子午面和弧矢面腰斑相等時分臂(14)長度與輔助透鏡(15)焦距的對應(yīng)關(guān)系；3)、在上述諧振腔中，用增益介質(zhì)(1 代替輔助透鏡(15)，輸出激光，對于確定參數(shù)的諧振腔，改變泵浦光功率，利用探測裝置⑶觀察輸出激光的光斑樣式，當(dāng)輸出光方向上任意兩點的光斑樣式均為圓形時，此時增益介質(zhì)(1 的熱焦距與輔助透鏡(1 的焦距相等， 記錄此時的泵浦功率；4)改變分臂(14)長度，重復(fù)步驟3)，建立泵浦功率與分臂(14)長度的對應(yīng)關(guān)系；5)、依據(jù)輔助透鏡(15)的焦距與分臂(14)長度的對應(yīng)關(guān)系和泵浦功率與分臂(14)長度的對應(yīng)關(guān)系，得到熱焦距與泵浦功率的對應(yīng)關(guān)系，即測得激光器的熱焦距。
2.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的一種激光器熱焦距的測量方法，所述的探測裝置(8)是不透光平面、探片或(XD。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種激光器熱焦距的測量方法，步驟包括構(gòu)建一個存在像散的諧振腔，腔內(nèi)有輔助透鏡，對確定參數(shù)的像散腔，對應(yīng)著確定焦距的輔助透鏡使某分臂子午面和弧矢面束腰相等；計算某分臂上子午面與弧矢面內(nèi)束腰相等時輔助透鏡焦距與分臂長度的對應(yīng)關(guān)系；在該諧振腔中，用增益介質(zhì)代替輔助透鏡，輸出激光，用探測裝置觀察輸出激光光斑樣式，當(dāng)輸出光任意兩點的光斑樣式均為圓形時，增益介質(zhì)的熱焦距與輔助透鏡焦距相等，記錄此時的泵浦功率；依據(jù)分臂長度與輔助透鏡焦距的一一對應(yīng)關(guān)系和分臂長度與泵浦功率的一一對應(yīng)關(guān)系，得到激光器的熱焦距。該方法裝置簡單，操作方便，不易損壞激光增益介質(zhì)，測量誤差小。
文檔編號G01M11/02GK102175429SQ20111000881
公開日2011年9月7日 申請日期2011年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月11日
發(fā)明者彭堃墀, 王雅君, 石柱, 鄭晉玲, 鄭耀輝 申請人:太原山大宇光科技有限公司, 山西大學(xué)